原子层沉积氮化钽薄膜的研究进展
发布时间：2021-06-10 10:41
在集成电路中,铜互连工艺需要沉积一层连续且保形性良好的铜阻挡层。氮化钽是一种过渡金属氮化物,由于其硬度高,导电性可控,对金属元素具有扩散阻挡的作用,在微电子工业领域中氮化钽是铜互连技术中研究最为广泛的扩散阻挡层材料。随着集成电路特征尺寸的减小及沟槽深宽比的增加,早期的物理气相沉积（PVD）工艺难以满足其未来的制作需求,因此原子层沉积（ALD）技术对制备超薄氮化钽阻挡层起着至关重要的作用。大部分ALD氮化钽薄膜的工艺优化主要集中在控制前驱体及还原气体的成分和工艺,以避免生成高阻态Ta3N5。这是由于器件关键尺寸的持续缩小会导致铜互连体积减小和阻挡层TaN在铜线中所占比例增加,而相比于铜阻挡层材料（TaN电阻率小于0.25 mΩ·cm; Ta3N5电阻率约为6Ω·cm）,铜的电阻率（1.67μΩ·cm）极低,因此阻挡层在铜互连中所占比例增加必然导致互连线导电性减弱。同时,互连线导电性不好还会导致器件工作信号传输延迟和工作能耗增加,因此,铜阻挡层的厚度应尽量薄。此外,这层极薄的铜扩散阻挡层需要被连续沉积在...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
300 ℃下沉积的TaNx薄膜(～30 nm)的电阻率和生长速率随氨剂量的变化规律(PDMAT注入时长为6 s)[34]
图9 热法原子层沉积和等离子增强原子层沉积的TaN薄膜的XRD图谱[38]2003年,Na等[40]采用等离子体辅助原子层沉积方法,以PEMAT为前驱体、NH3/Ar混合气体等离子体作为还原气体,成功在SiO2/Si晶圆上制备了氮化钽(TaN)薄膜,并与传统热法原子层沉积制备的薄膜进行了对比(在相同前驱体的条件下)。研究发现:在衬底温度为250 ℃时,采用PEALD 制备TaN的生长速度(0.080 nm/周期)略高于热法ALD制备TaN(0.075 nm/周期)。采用PEALD法沉积的TaN膜密度高达11.0 g/cm3,远高于热法ALD沉积的膜密度(8.3 g/cm3)。热法ALD沉积的TaN的N/Ta原子比为44∶37,薄膜中约含有8%～10%的碳和11%(原子分数)的氧杂质。而PEALD 沉积的TaN层的N/Ta原子比则为47∶44,其碳氧含量分别下降到3%和4%。采用两种方法沉积的薄膜晶体均为无定形结构。另外,将薄膜在氮气环境下热退火30 min后,发现通过PEALD 制备的TaN薄膜比热法ALD制备的薄膜热稳定性更好。测试10 nm厚的TaN薄膜作为Cu扩散屏障的稳定性,发现PEALD沉积的TaN薄膜抗Cu扩散性能明显优于热型ALD,且在800 ℃下对Cu都具有较好的阻隔性能。
表1 原子层沉积氮化钽薄膜的性能[19]Table 1 Properties of the ALD tantalum nitride film[19] 晶相 颜色 厚度nm 氮原子分数/% 室温电阻率μΩ·cm 立方相 褐灰 190 56 1 190 斜方正交相 亮橘红 150 63 41 170随后,赫尔辛基大学的Ritala和Leskel等[20-24]对过渡金属氮化物薄膜的原子层沉积工艺及性能改善进行了研究。他们首先成功利用原子层沉积工艺制备了氮化钛(TiN)薄膜[19,21-23]和氮化铌[19,23-24]薄膜,并对沉积工艺和薄膜特性进行了分析。研究发现,在反应过程中加入金属锌(380 ℃锌蒸气),可以大幅改善薄膜的电阻率,这主要是因为金属锌不仅具有强的还原性及有效的除氯作用,还会影响材料结构等[23]。之后,Ritala等[20]的研究发现,金属锌对原子层沉积氮化钽薄膜的改性作用比对氮化钛或氮化铌更加明显。当氨气作为还原剂时无法使五价Ta完全还原为三价Ta,最终会得到富氮态Ta3N5。在反应温度较低(200 ℃)时,薄膜杂质含量很高,只有在温度较高(450～500 ℃)时杂质含量最低。当沉积温度低于400 ℃时,薄膜为无定形结构;当沉积温度高于400 ℃时,薄膜为多晶结构。薄膜的电阻率与其结晶程度有关,多晶Ta3N5薄膜的电阻率(～0.5 Ω·cm)明显低于无定形Ta3N5薄膜(～200 Ω·cm)。当以金属锌作为附加还原剂时,则可得到TaN薄膜。但因锌的蒸气压较低,所以仅在反应温度高于400 ℃时才能成膜,且形成的TaN薄膜为多晶立方相。薄膜电阻率和反应温度的关系不大。当反应温度升高时,薄膜的杂质含量会降低;当温度达到实验中的最高温度500 ℃时,杂质氯元素的原子分数仅为0.1%。但需要注意的是,所有氮化钽薄膜样品中均可以检测到氧元素,其原子分数约为3%,且与金属锌没有关系,可见沉积的薄膜在空气中极易氧化,不利于其工业应用。
本文编号：3222223
【文章来源】：材料导报. 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
300 ℃下沉积的TaNx薄膜(～30 nm)的电阻率和生长速率随氨剂量的变化规律(PDMAT注入时长为6 s)[34]
图9 热法原子层沉积和等离子增强原子层沉积的TaN薄膜的XRD图谱[38]2003年,Na等[40]采用等离子体辅助原子层沉积方法,以PEMAT为前驱体、NH3/Ar混合气体等离子体作为还原气体,成功在SiO2/Si晶圆上制备了氮化钽(TaN)薄膜,并与传统热法原子层沉积制备的薄膜进行了对比(在相同前驱体的条件下)。研究发现:在衬底温度为250 ℃时,采用PEALD 制备TaN的生长速度(0.080 nm/周期)略高于热法ALD制备TaN(0.075 nm/周期)。采用PEALD法沉积的TaN膜密度高达11.0 g/cm3,远高于热法ALD沉积的膜密度(8.3 g/cm3)。热法ALD沉积的TaN的N/Ta原子比为44∶37,薄膜中约含有8%～10%的碳和11%(原子分数)的氧杂质。而PEALD 沉积的TaN层的N/Ta原子比则为47∶44,其碳氧含量分别下降到3%和4%。采用两种方法沉积的薄膜晶体均为无定形结构。另外,将薄膜在氮气环境下热退火30 min后,发现通过PEALD 制备的TaN薄膜比热法ALD制备的薄膜热稳定性更好。测试10 nm厚的TaN薄膜作为Cu扩散屏障的稳定性,发现PEALD沉积的TaN薄膜抗Cu扩散性能明显优于热型ALD,且在800 ℃下对Cu都具有较好的阻隔性能。
表1 原子层沉积氮化钽薄膜的性能[19]Table 1 Properties of the ALD tantalum nitride film[19] 晶相 颜色 厚度nm 氮原子分数/% 室温电阻率μΩ·cm 立方相 褐灰 190 56 1 190 斜方正交相 亮橘红 150 63 41 170随后,赫尔辛基大学的Ritala和Leskel等[20-24]对过渡金属氮化物薄膜的原子层沉积工艺及性能改善进行了研究。他们首先成功利用原子层沉积工艺制备了氮化钛(TiN)薄膜[19,21-23]和氮化铌[19,23-24]薄膜,并对沉积工艺和薄膜特性进行了分析。研究发现,在反应过程中加入金属锌(380 ℃锌蒸气),可以大幅改善薄膜的电阻率,这主要是因为金属锌不仅具有强的还原性及有效的除氯作用,还会影响材料结构等[23]。之后,Ritala等[20]的研究发现,金属锌对原子层沉积氮化钽薄膜的改性作用比对氮化钛或氮化铌更加明显。当氨气作为还原剂时无法使五价Ta完全还原为三价Ta,最终会得到富氮态Ta3N5。在反应温度较低(200 ℃)时,薄膜杂质含量很高,只有在温度较高(450～500 ℃)时杂质含量最低。当沉积温度低于400 ℃时,薄膜为无定形结构;当沉积温度高于400 ℃时,薄膜为多晶结构。薄膜的电阻率与其结晶程度有关,多晶Ta3N5薄膜的电阻率(～0.5 Ω·cm)明显低于无定形Ta3N5薄膜(～200 Ω·cm)。当以金属锌作为附加还原剂时,则可得到TaN薄膜。但因锌的蒸气压较低,所以仅在反应温度高于400 ℃时才能成膜,且形成的TaN薄膜为多晶立方相。薄膜电阻率和反应温度的关系不大。当反应温度升高时,薄膜的杂质含量会降低;当温度达到实验中的最高温度500 ℃时,杂质氯元素的原子分数仅为0.1%。但需要注意的是,所有氮化钽薄膜样品中均可以检测到氧元素,其原子分数约为3%,且与金属锌没有关系,可见沉积的薄膜在空气中极易氧化,不利于其工业应用。
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